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信号完整性研究(二):何时会遇到信号完整性问题

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发表于 2015-12-2 14:59:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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多年前,在我开始研究信号完整性问题时也曾经有过这样的疑问,随着对信号完整性理解的深入,便没有再仔细考虑。后来在产品开发过程中,朋友、同事经常向我提出这一问题。有些公司制作复杂电路板时,硬件总也调不通,于是找到我,当我解决了问题,并告诉他们,原因就在于没有处理好信号完整性设计,负责开发的硬件工程师也会提出同样的问题。他们通常的说法是:高速电路中会有问题,可是什么情况下必须进行专门的信号完整性设计?

不断的有人问我,我不得不作更深入的思考。说实话,这个问题很难回答,或者说他们这种问法很难回答。他们的意思可以解释为,速度高了就要考虑信号完整性,低速板不存在这个问题,那总要有个临界频率,这个频率是多少?有人曾提出过这样的论点,当外部总线频率超过80MHz时,就要进行专门的分析设计,低于这一频率,不用考虑信号完整性问题。对这一论点,我不敢苟同。仔细分析,他们这种问法的背后是对信号完整性的一种误解。

如果必须有一个答案的话,我想答案应该是:只要信号畸变到了无法容忍的程度就要考虑信号完整性问题。呵呵,看起来像是在胡说八道,不过这确实是能找到的最好的答案了。

要想弄清这个问题,必须先了解信号完整性的实质到底是什么。产生信号完整性的原因很多,频率(值得推敲,暂且借用提问者的说法)只不过是其中的一个而已,怎么能单单用频率来强行地划分界线!顺便说一句,很多人说频率的影响,其实这个词很值得推敲。频率到底指的是哪个部分的频率?电路板上有主时钟频率,芯片内部主频,外部总线带宽,数字信号波形带宽,电磁辐射频率,影响信号完整性的频率到底指的是哪一个?问题根源在于信号上升时间。如果你不是很理解,可以到于博士信号完整性研究网学习。

信号完整性最原始的含义应该是:信号是否能保持其应该具有的波形。很多因素都会导致信号波形的畸变,如果畸变较小,对于电路板不会产生影响,可是如果畸变很大,就可能影响电路的功能。系统频率(芯片内部主频以及外部频率)、电磁干扰、电源波纹噪声,数字器件开关噪声、系统热噪声等都会对信号产生影响,频率并不具有特殊的地位,你不能把所有的注意力都放在频率这个因素上。

那么这里又会出现另一个问题,波形畸变多大,会对电路板功能产生影响。这没有确定统一的指标,和具体应用以及电路板的其他电气指标有关。对于数字信号而言,对畸变的容忍度较大。能有多大的容忍度,还要考虑电路板上的电源系统供电电压波纹有多大,系统的噪声余量有多大,所用器件对于信号建立时间和保持时间的要求是多少等等。对于模拟信号,相对比较敏感,容忍度较小,至于能容忍多大的畸变,和系统噪声,器件非线性特性,电源质量等等有关。

是不是听起来很晦涩!确实,要说清楚这个问题并不容易,因为牵扯到了太多的因素在内。下面这个数字信号波形的例子能让你有一个简单直观的理解。

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       这是一个受反射影响的方波数字信号,波形的畸变仅仅是反射的结果,没有迭加其他噪声。假设低电平逻辑小于0.7v,高电平大于2v。对于高电平来说,震荡的低谷部分可能会冲到2v以下,此时电路处于不定态,可能引起电路误动作。所以,迭加在高电平上的波纹幅度不能太大。由于电路存在噪声,电源也有波纹,这些最终都会迭加到信号波形上,所以你计算波纹幅度的时候要考虑这些因素,而这些因素和你的电路板其他部分设计有关。所以你无法确定一个统一的畸变标准,只能根据你具体电路的设计和应用综合考虑。最终的原则只有一个:通过信号完整性设计、电源完整完整性设计等手段,将总的信号畸变控制在一定范围内,保证电路板正常稳定工作。

工程中,解决信号完整性的问题是一个系统的工程,并不是一两种方法就可以包打天下的。什么时候会碰到信号完整性问题也不是可以硬性的划一道线来区分,一句话,要根据你的实际情况来定。

可能你会感觉,这么多不确定的因素,还怎么在最初设计的时候考虑信号完整性问题?嗯,没问题的,其实对于所有影响信号质量的因素,你都可以通过一定的设计技术来控制。对于电源波纹问题,那是电源完整性的问题,又是一个系统的工程。而其他的电磁干扰,电磁兼容等则是另外一个系统工程。

总之,信号完整性问题涉及的知识较多,是一个跨学科的知识体系。网上关于信号完整性基础知识讲解很多,但很少有讲得很深入的。要想学好信号完整性,你需要有一定的精力投入,但可以告诉你,只要掌握学习方法,其实不难。一旦你学好它,回报是非常高的,毕竟这方面的人才现在是奇缺阿,很多公司给信号完整性工程师开价都在25W以上,如果你很牛的话,呵呵,决不是这个价。


信号完整性研究(三):重视信号上升时间

信号的上升时间,对于理解信号完整性问题至关重要,高速pcb设计中的绝大多数问题都和它有关,你必须对他足够重视。

信号上升时间并不是信号从低电平上升到高电平所经历的时间,而是其中的一部分。业界对它的定义尚未统一,最好的办法就是跟随上游的芯片厂商的定义,毕竟这些巨头有话语权。通常有两种:第一种定义为10-90上升时间,即信号从高电平的10%上升到90%所经历的时间。另一种是20-80上升时间,即信号从高电平的20%上升到80%所经历的时间。两种都被采用,从IBIS模型中可看到这点。对于同一种波形,自然20-80上升时间要更短。

好了,只要了解这些就够了。对于我们终端应用来说,精确的数字有时并不是很重要,而且这个数值芯片厂商通常也不会直接给我们列出,当然有些芯片可以从IBIS模型中大致估计这个值,不幸的是,不是每种芯片你都能找到IBIS模型。

重要的是我们必须建立这样的概念:上升时间对电路性能有重要的影响,只要小到某一范围,就必须引起注意,哪怕是一个很模糊的范围。没有必要精确定义这个范围标准,也没有实际意义。你只需记住,现在的芯片加工工艺使得这个时间很短,已经到了ps级,你应该重视他的影响的时候了。

随着信号上升时间的减小,反射、串扰、轨道塌陷、电磁辐射、地弹等问题变得更严重,噪声问题更难于解决,上一代产品中设计方案在这一代产品中可能不适用了。

信号上升时间的减小,从频谱分析的角度来说,相当于信号带宽的增加,也就是信号中有更多的高频分量,正是这些高频分量才使得设计变得困难。互连线必须作为传输线来对待,从而产生了很多以前没有的问题。

因此,学习信号完整性,你必须有这样的概念:信号陡峭的上升沿,是产生信号完整性问题的罪魁祸首。

信号完整性研究(四):信号上升时间与带宽

在前文中我提到过,要重视信号上升时间,很多信号完整性问题都是由信号上升时间短引起的。本文就谈谈一个基础概念:信号上升时间和信号带宽的关系。

对于数字电路,输出的通常是方波信号。方波的上升边沿非常陡峭,根据傅立叶分析,任何信号都可以分解成一系列不同频率的正弦信号,方波中包含了非常丰富的频谱成分。

抛开枯燥的理论分析,我们用实验来直观的分析方波中的频率成分,看看不同频率的正弦信号是如何叠加成为方波的。首先我们把一个1.65v的直流和一个100MHz的正弦波形叠加,得到一个直流偏置为1.65v的单频正弦波。我们给这一信号叠加整数倍频率的正弦信号,也就是通常所说的谐波。3次谐波的频率为300MHz,5次谐波的频率为500MHz,以此类推,高次谐波都是100MHz的整数倍。图1是叠加不同谐波前后的比较,左上角的是直流偏置的100MHz基频波形,右上角时基频叠加了3次谐波后的波形,有点类似于方波了。左下角是基频+3次谐波+5次谐波的波形,右下角是基频+3次谐波+5次谐波+7次谐波的波形。这里可以直观的看到叠加的谐波成分越多,波形就越像方波。

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                              图1
因此如果叠加足够多的谐波,我们就可以近似的合成出方波。图2是叠加到217次谐波后的波形。已经非常近似方波了,不用关心角上的那些毛刺,那是著名的吉博斯现象,这种仿真必然会有的,但不影响对问题的理解。这里我们叠加谐波的最高频率达到了21.7GHz。
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                           图二
上面的实验非常有助于我们理解方波波形的本质特征,理想的方波信号包含了无穷多的谐波分量,可以说带宽是无限的。实际中的方波信号与理想方波信号有差距,但有一点是共同的,就是所包含频率很高的频谱成分。

现在我们看看叠加不同频谱成分对上升沿的影响。图3是对比显示。蓝色是基频信号上升边,绿色是叠加了3次谐波后的波形上升边沿,红色是基频+3次谐波+5次谐波+7次谐波后的上升边沿,黑色的是一直叠加到217次谐波后的波形上升边沿
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                            图三

通过这个实验可以直观的看到,谐波分量越多,上升沿越陡峭。或从另一个角度说,如果信号的上升边沿很陡峭,上升时间很短,那该信号的带宽就很宽。上升时间越短,信号的带宽越宽。这是一个十分重要的概念,一定要有一个直觉的认识,深深刻在脑子里,这对你学习信号完整性非常有好处。

这里说一下,最终合成的方波,其波形重复频率就是100MHz。叠加谐波只是改变了信号上升时间。信号上升时间和100MHz这个频率无关,换成50MHz也是同样的规律。如果你的电路板输出数据信号只是几十MHz,你可能会不在意信号完整性问题。但这时你想想信号由于上升时间很短,频谱中的那些高频谐波会有什么影响?记住一个重要的结论:影响信号完整性的不是波形的重复频率,而是信号的上升时间。


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